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微波传输线的发展

11/09 11:02 作者:射频学堂
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大家好,今天继续我们的射频入门课程。

在前面的学习中,我们首先学习了一下微波和电磁场的基础——从麦克斯韦方程组(链接)到电磁波(链接,链接2)的发现。然后总结了射频微波电路设计的基本思维——频率思维(链接),场思维,阻抗思维(链接)以及谐振思维(链接)等,然后到我们现在正在学习的传输线(链接)部分,学习了微波射频设计的一些基本概念,比如传输线方程(链接),反射(链接),驻波(链接)等,并且推到了史密斯圆图的由来(链接)。今天我们开始进入到微波射频器件的学习,终于从看不见摸不到的电磁波和理论进入到看的找摸得到的实体了。

图 1 常见的微波传输线

 

上图给出了一些最常用的微波传输线,有一些可能已经很少用到,比如平行双线。有一些可能已经用了近百年,现在和将来还会继续发光发热,不可替代,当然更有一些新型的传输线被研发出来

这些微波传输线也见证了微波技术的发展。最早的微波传输线应该是平行双线,上图第一个传输线。平行双线最早的应用尚没有查到,但是看着赫兹第一次电磁波的实验中就用到了类似双线的装置,然后马可尼的无线发射器也应用到了类似双线的装置。这可能更来自于传送电力的电线。

赫兹实验

可尼无线发射器

 

后面很出现的很多传输线都是平行双线的延伸和扩展,比如同轴线,相当于把平行双线的一根线碾平,然后卷成筒,包住另一根线,目的是减少平行双线的高频泄露。后来为了平面化的应用,把同轴线的外筒一分两半,展平成带状线;同时代又从平行双线引出了微带线。这些线都是具有最少两个导体,具备平行双线的部分性能,比如TEM传播,又改善了平行双线的一些缺点,但同时也牺牲了平行双线的平衡性。这类线是从电路里面发展起来的。

还有一类应用也比较广的微波传输线被称为波导——引导电磁波的传播,从名字不难看出,波导线来自于电磁波的空间概念,既然电磁波可以在空间中传播,那么把这个空间封闭起来是不是就能够引导它的传播呢?在1893年的时候亥赛维就考虑过电磁波在封闭空管内传播的可能性,在1897年John Willam Struut在数学上证明了电磁波在波导中传播的可行性,并推导出了波导中有无穷多个TE、TM模式,并且具有截止频率,但是直到1936年波导才真正的被AT&T公司的 George C Southworth发明,后来被应用在雷达中,出现在第二次世界大战的战场上。

波导和同轴线的功率容量比较大,并且损耗也比较低,且同轴线具有非常宽的工作带宽,便于在实验中测试应用,但是制作微波器件比较复杂笨重,且无法和PCB板集成。所以后来人们又发明了平面传输线,最早的平面传输线应该是带状线,由R. Barrett 在 1950 年代发明的,最初的名字叫做Tri-plate,这个也好理解,刚好三层金属层所以就叫三片呗。外国人起个名字都这么随意。后来在1952年,美国ITT实验室的Grieg 和 Engelmann发明了微带线,作为带状线的竞争。但是在最开始阶段,微带线采用比较厚的介质基板,突显了非TEM模的特征,和比较严重的频率色散,比带状线更不理想。直到十年后工艺用很薄的介质基片时,微带线才变得漂亮起来,也逐步称为最流行的一款传输线。

 

在微带线的发展中,出现了一个更为优秀的传输线——共面波导,又叫做共面微带传输线,如下图所示,在介质基片的一个面上制作出中心导体带,并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面,共面波导传播的是TEM波,没有截止频率。由于中心导体与导体平板位于同一平面内,因此,在共面波导上并联安装元器件很方便,用它可制成传输线及元件都在同一侧的单片微波集成电路。共面波导是由Cheng P. Wen在1969年发明的,在微波的历史中第一次出现了中国人的名字,尽管他当时在美国的RCA's Sarnoff 实验室。论文名称:Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications。也可能是巧合,共面波导的英文缩写和发明者的名字首字母是一样的,CPW——Cheng P. Wen/ Coplanar waveguide.

 

今天介绍的最后一种微波传输线就是基片集成波导SIW,图1中的最后一张图,它是由东南大学中国国家重点毫米波实验室学术委员会主任吴柯教授发明的。此前普遍使用的微带开放电路损耗大,且封装成本极高;而波导电路虽然损耗小,却不能集成,又庞大笨重。吴柯将原来立体的非平面的电路平面化,使其既可以集成,性能又得到极大提高,则大为缩小。原来安装在雷达上的桌子般大小的电路,现在则可以做成像盘子一样大小了,性能高而体积小,所以飞机雷达都采用它。这是一个革命性的变化。吴柯于上世纪90年代最早提出这一设想,至今这一革命性的创造——基片集成电路已在世界上得到广泛开发和应用。此项成果获得了国际电子电气工程师协会的嘉奖。2011年11月,世界权威的《微波杂志》将这一创造发明列在10大可改变未来的创造发明的首位,吴柯的头像上了杂志的封面,同爱因斯坦等多位世界大科学家的头像排在一起。他和他的合作者们发表的2篇有关论文至今仍然保持着2个国际著名学术刊物 IEEE-MWCL和IET- MAP 创刊以来的最高引用纪录。

 

论文:Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form

微波传输线是构成微波电路系统的关键,,尤其是对于微波无源器件,基本上就是由传输线结构构成的。在微波传输线这一章节中,我们会重点学习一些常用微波传输线的特征,为后面的微波无源器件的设计打好基础。

 

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